Космические гамма-всплески.
Постороннему человеку может показаться, что в современной астрономии имеется тенденция увлекаться все более и более экзотическими объектами: сначала сверхновые и нейтронные звезды, да сталкивающиеся галактики, а затем двойные пульсары, черные дыры, квазары, гравитационные линзы, магнетары, кварковые звезды...
Дело здесь, конечно, не в том, что такие объекты стали чаще встречаться в природе - Вселенная, будучи гигантской лабораторией с такими экстремальными условиями, какие даже и не снились человеку, несомненно полна и более удивительными астрономическими образованиями. Просто человечество, овладевая все более и более тонкими и чувствительными средствами исследования космоса, изощренными технологиями, смогло увидеть в глубинах Вселенной то, что было непоступным ранее.
История исследования космических всплесков гамма-излучения - прекрасный тому пример.
ОТКРЫТИЕ ГАММА ВСПЛЕСКОВ.
Как и многие другие открытия в современной астрономии, открытие космических гамма-всплесков произошло совершенно случайно. В конце 60-х годов на орбиту были запущены несколько американских спутников для мониторинга в гамма-лучах несанкционированных ядерных испытаний (напомним, что гамма-лучи - это электромагнитное излучение с энергией квантов выше 10 - 100 кэВ). Среди прочих источников гамма-излучения эти спутники изредка регистрировали и очень короткие сильные всплески, идущие откуда-то из космоса. Методом триангуляции было установлено, что их источник лежит где-то за пределами Солнечной системы. Больше ничего сказать о них было нельзя.
Поначалу ученые полагали, что эти гамма-всплески идут от каких-нибудь звезд нашей галактики. Однако в таком случае большая часть всплесков должна была бы лежать в плоскости Млечного Пути. Ничего похожего не наблюдалось - источники гамма-всплесков были распределены по небу абсолютно изотропно. Это стало первой загадкой гамма-всплесков - было совершенно непонятно, где же они находятся: в локальном скоплении галактик или на самом краю Вселенной, как квазары?
Вторым необычным свойством гамма-всплесков была их мимолетность: они вспыхивали то там, то тут, никогда не повторяясь. Типичная длительность вспышки составляла всего десятки секунд. Из-за этого никак не удавалось не то, что изучить, а даже локализовать и сопоставить эти всплески с какими-либо астрономическими объектами - попросту на то, чтобы механически развернуть телескоп с высоким разрешением и направить его на нужный участок неба, уходило гораздо больше времени. Кроме того, статистика была очень бедна - тогдашние аппараты регистрировали по нескольку всплеков в год. Поэтому долгое время гамма всплески оставались "призраками".
BATSE
Наконец, в начале 90-х годов ситуация изменилась. На орбиту была запущена настоящая гамма-лаборатория Compton (аппарат NASA), который нес на себе оборудование для эксперимента BATSE (Burst and Transient Source Experiment), призванного исследовать гамма-всплески. BATSE смог одновременно изучать интенсивность, энергетическое распределение и угловое распределение всплесков.
Основым чувствительным элементом BATSE были 8 тонких сцинтилляторов, расположенные по углам аппарата и "прослушивавших" сразу все небо.
Сцинтилляторы - это, грубо говоря, прозрачные кристаллы либо органические соединения, которые обладают свойством "считать" гамма-кванты. Фотон поглощается в кристалле, его энергия "высвечивается" в видимом свете, этот свет затем попадает на фотоумножитель и превращается в измеряемый импульс тока в цепи. Таким образом, можно с неплохой точностью измерять энергию гамма-кванта, и, соответственно, изучать спектр гамма всплесков.
Интенсивность всплесков (поток гамма-квантов за вычетом фона) измерялась напрямую, по частоте регистрации гамма-квантов. Наконец, направление на источник определялось по скорости счета сцинтилляторов, расположенных под разными углами (благодаря малой толщине сцинтиллятора по сравнению с его размером, скорость счета была пропорциональна косинусу угла между нормалью к его поверхности и направлением на источник). В результате удавалось определять положение источника на небе с точностью до нескольких градусов.
За 8 лет работы BATSE сумел зарегистрировать свыше 2500 гамма-всплесков и для каждого получить детальный энергетический спектр - главная заслуга эксперимента. Каждый гамма-всплеск получил свое оффициальное название по дате его регистрации: например, GRB931126 означает всплеск 26 ноября 1993 года (второй всплеск в тот же день получал вдобавок к номеру букву b, c, d и т.д.) Все характеристики зарегистрированных гамма- всплесков доступны через Интернет.
СОВРЕМЕННАЯ СИТУАЦИЯ.
Несмотря на все достижения BATSE, его исследования носили некий описательный характер. Чтобы двигаться дальше, ученым было необходимо сопоставить хотя бы один гамма-всплеск с каким-нибудь объектом, видимым в другом диапазоне. Другими словами, необходимо было создать системы быстрого и точного определения положения источника на небе.
Революционным в этом смысле был запуск в 1997 году итало-голландского спутника BeppoSAX. Он одновременно просматривал небо в гамма и рентгеновских лучах. Если гамма детектор регистрировал очередной всплеск, и если его источник находился примерно в поле зрения широкоугольной рентгеновской камеры, то прямо на борту производилась срочная проявка рентгеновского снимка и искался новый яркий объект. Очень важным здесь было то, что хотя сама гамма-вспышка длилась несколько секунд, в более мягких рентгеновских лучах объект светился гораздо дольше, поэтому он и фиксировался на пленке. В результате направление на источник определялось с точностью до нескольких угловых минут, что в сто раз лучше, чем было ранее. Таким образом, ученые наконец-то научились успевать отслеживать гамма всплески.
В настоящее время ситуация тут такова: сейчас имеется уже целый ряд спутников, исследующих гамма-всплески. Все они соединены в единую информационную сеть - GRB Coordinates Network. Сразу же после регистрации гамма- всплеска однм из аппаратов (чаще всего это чувствительный BATSE), в течение нескольких секунд оповещаются все остальные спутники и телескопы на земле (к слову, информация сразу же попадает и в Интернет) - и затем в реальном времени идет совместное наблюдение объекта: поступают все уточняющиеся координаты объекта, его светимость в различных лучах и т.д.
Прежде чем говорить о свойствах самих гамма всплесков - несколько слов о планирумых экспериментах. В 2003 году на орбиты предполагается вывод двух спутников, "охотников за гамма-всплесками" нового поколения: Swift (аппарат NASA) и русско-европейско-американский аппарат XRT. Ожидается, что этот дуэт в течение 10 секунд сможет определить положение источника на небе в пределах 10 угловых минут, а через 3 минуты после вспышки - с беспрецедентной точностью лучше 1 угловой секунды!
ВСПЛЕСК GRB990123.
Среди 14 гамма-всплесков, для которых были надежно зарегистрированы источники во всем диапазоне электромагнитных волн, самым мощным и самым знаменитым является всплеск GRB990123. Он был зарегистрирован BeppoSAX, который определил его положение на небе с точностью 1,5 угловых минуты. Через 22 секунды после гамма всплеска (фактически, еще во время всплеска!) телескоп ROTSE нацелился в эту область и начал свои наблюдения в видимом диапазоне.
ROTSE - специализированный телескоп, построенный специально для того, чтобы искать оптическое свечение гамма-вспышек. Для этого он должен уметь очень быстро разворачиваться в область неба, указанную спутником, и иметь большое поле зрения для покрытия бокса ошибок спутника (примерно 10х10 градусов). Была построена система, состоящая из 4 серийных телефотообъективов, каждый из которых оснащен хорошей ПЗС камерой. Вся система собрана на общей монтировке, которая быстро и автоматически позиционируется на область неба, указанную спутником. ROTSE находится на земле в маленьком домике.
В направлении, указанном BeppoSAX, находился очень яркий быстро гаснущий объект: за четыре минуты его звездная величина изменилась с 9m до 13m, что отвечает падению яркости в 40 раз. Через 4 часа яркость уже упала в 10000 раз по сравнению с первоначальной. После этого, еще в течение 3 недель наблюдалось нерегулярное поведение кривой блеска объекта. После того, как сам объект погас, на его месте была найдена очень далекая галактика, в которой, по всей видимости, и произошла эта космическая катастрофа.
Изучение оптического спектра GRB990123 буквально ошеломило ученых: источник находился безумно далеко, на краю видимой нами части Вселенной. Его красное смещение составляло z > 1,6, что дает расстояние до объекта 3,7Х10^8 см = 12 гигапарсек.
Вдумайтесь только - какая должна быть космическая катастрофа на краю Вселенной, чтобы ее можно было разглядеть в хороший бинокль (а звездные величины порядка 9m вполне под силу 60-миллиметровому объективу!) А ведь если бы эта вспышка произошла в районе ближайших к нам звезд, то она не просто бы затмила Солнце - она бы испепелила Землю (при таком красном смещении разность видимой и абсолютной звездной величины равна m - M = 46; пиковая светимость объекта составляла 3,3Х1016 солнечных светимостей; это в миллион раз больше светомости отдельной крупной галактики и в 100 раз ярче самого яркого квазара!).
Абсолютную энергию, выделившуюся во время взрыва, можно определить, зная расстояние до источника и его видимый блеск. При этом, если сделать предположение об изотропном энерговыделении, получившееся число для GRB990123 выглядит неправдоподобно большим: E = 3,4Х10^47 Дж = 1,9М0c2, где М0 - масса Солнца. Заметим, что само Солнце не излучило и одного процента этой энергии за все 5 миллиардов лет своего существования! Если же считать, что энергия гамма-всплеска выделялась не изотропно, а направленно, в виде струй, то суммарная мощность может быть на один-два порядка меньше.
